Elektromágneses hullámok: mik és hogyan keletkeznek (példákkal)

Az elektromágneses (EM) hullámok állandóan süvítenek körülötted, és tanulmányuk a fizika egész döntő területét képviseli. Az elektromágneses sugárzás különféle formáinak megértése, osztályozása és leírása segítette a NASA és más tudományos entitások az emberi technológiát a korábban feltáratlan területekre és azokon túlra tolják, gyakran drámai módon módokon. Mégis az EM hullámoknak csak egy kis része látható az emberi szem számára.

A fizikában elkerülhetetlen egy bizonyos mennyiségű matematika. De a fizikai tudományokban az a szép, hogy a matematika általában logikusan "ügyes" - vagyis ha már ismeri az alapvető egyenleteket a klasszikus mechanika (vagyis általában nagy, látható dolgok mozognak) esetében az elektromágnesesség egyenletei ismerősek, változók.

Az elektromágneses mezők és hullámok legjobb megértéséhez alapismeretekkel kell rendelkeznie Maxwell egyenleteiről, amelyeket James Clerk Maxwell kapott az 1800-as évek második felében. Ezek az egyenletek, amelyekből az EM hullámok általános megoldása származik, leírják az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatát. A végére azt is meg kell értenie, hogy mit jelent a hullám "lenni" - hogyan

Maxwell egyenletei formalizálják az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatát, és leírják az összes ilyen jelenséget. Az olyan fizikusok munkájára építve, mint Carl Gauss, Michael Faraday és Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell felfedezte hogy ezek a tudósok által az elektromos és mágneses mezőkkel kapcsolatos egyenletek alapvetően megalapozottak voltak, de tökéletlen.

Ha nem ismeri a számításokat, ne csüggedjen. Egészen szépen követheted a dolgot anélkül, hogy megoldanál egy dolgot. Csak ne feledje, hogy az integráció nem más, mint egy okos forma, amikor a görbe alatti területet megkeresi egy grafikonon, hihetetlenül apró szeletek összeadásával. Továbbá, bár a változók és kifejezések eleinte nem sokat jelentenek, a cikkben ismételten visszautalunk rájuk, mivel a "fények" továbbra is ragyognak számotokra ebben a létfontosságú témában.

​Maxwell első egyenleteszármazikGauss-törvényelektromos mezők esetében, amely kimondja, hogy a zárt felületen (például egy gömb külső oldalán) átáramló nettó elektromos fluxus arányos a belső töltéssel:

Itt a fejjel lefelé fordított háromszög ("nabla" vagy "del") háromdimenziós gradiens operátort jelent,ρa térfogategységre eső töltéssűrűség ésε​₀ az elektromosa szabad tér permittivitása​.

​Maxwell második egyenleteGauss törvénye a mágnesességre, amelyben az elektromos mezőkkel ellentétben nem létezik "pontmágneses töltés" vagymágneses monopólus. Ehelyett a mágneses mező vonalai zárt hurkokként jelennek meg. A zárt felületen keresztüli nettó mágneses fluxus mindig 0 lesz, ami közvetlenül abból adódik, hogy a mágneses mezők dipolárisak.

A törvény valójában kimondja, hogy a mágneses mező minden vonalaBA kiválasztott térfogatnak az űrbe történő belépésével valamikor ki kell lépnie abból a térfogatból, és ez a következő mágneses fluxus a felületen keresztül nulla.

​Maxwell harmadik egyenlete(Faraday mágneses indukciós törvénye) leírja, hogy a változó mágneses tér hogyan hoz létre elektromos teret. A vicces "∂" jelentése "részleges származék" és ingadozást jelent. A páratlan szimbólumokat leszámítva a kapcsolat azt mutatja, hogy az elektromos fluxus változása mind anem állandómágneses mező.

​Maxwell negyedik egyenlete(az Ampere-Maxwell törvény) a többiek kútforrása, Maxwell korrekciója Ampere elmulasztása miatt figyelembe venni a nem állandó áramokat, amelyek a másik három egyenleten keresztül hullámzottak, korrekciós tényezőikkel saját. Az egyenlet Ampere törvényéből származik, és leírja, hogyan hoz létre mágneses teret egy áram (mozgó töltés), egy változó mágneses mező vagy mindkettő.

Itt,μ​₀ a szabad tér átjárhatósága. Az egyenlet megmutatja, hogy a mágneses mező egy adott területen belül az áram körül egy vezetékbenJazzal az árammal és az elektromos térrel változikE​.

Miután Maxwell formálta egyenleteivel az elektromosság és a mágnesesség megértését, különféle megoldásokat keresett az egyenletekre, amelyek új jelenségeket írhatnak le.

Mivel a változó elektromos tér mágneses teret és a változó mágneses mező generál elektromos mező, Maxwell megállapította, hogy egy önmagában terjedő elektromágneses hullám lehet generált. Az egyenletei alapján megállapította, hogy egy ilyen hullám sebessége megegyezik a fénysebességgel. Kiderült, hogy ez nem véletlen, és arra a felfedezésre vezetett, hogy a fény az elektromágneses sugárzás egyik formája!

Általában a hullámok olyan közeg rezgései, amelyek energiát szállítanak egyik helyről a másikra. A hullámokhoz hullámhossz, periódus és frekvencia kapcsolódik. A sebességvegy hullám hullámhosszaλa gyakoriságafvagy λf = v.

A hullámhossz SI mértékegysége a mérő, bár a nanométerekkel gyakrabban találkozunk, mivel ezek a látható spektrum számára kényelmesebbek. A frekvenciát másodpercenként (s^-1) vagyhertz(Hz), Heinrich Hertz után. A periódusTA hullám értéke mennyi ideig tart egy ciklus, vagy 1 / f teljesítése.

EM hullám esetén, ellentétben a mechanikus hullámokkal,vminden helyzetben állandó, ami azt jelentiλváltakozikfordítvaval velf. Vagyis a magasabb frekvenciák rövidebb hullámhosszakat jelentenek egy adott számárav. A "magas frekvencia" magában foglalja a "nagy energiát" is; vagyis elektromágneses energiaEjoule-ban (J) arányosf, a Planck állandójának nevezett tényezőn keresztülh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• A hullám egyenletey = bűn (kx - ωt), holAaz amplitúdó,xaz elmozdulás az x tengely mentén,ka 2π / k hullámszám, és

​ω​

a 2π / T szögfrekvencia.

Az elektromágneses hullám elektromos mezőből áll (E) a mágneses mezőre merőleges (derékszögben) síkban lengő hullám (B) hullám. Ha úgy gondolja magát, mint egy EM hullámot, amely egy "padlón" halad ("terjed"), akkor aEhullámkomponens függőleges síkban oszcillál a testén és aBhullám oszcillál a vízszintes padlón belül.

Mivel az elektromágneses sugárzás hullámként működik, akkor minden egyes elektromágneses hullámhoz frekvencia és hullámhossz tartozik. Egy másik megkötés az, hogy mivel az elektromágneses hullámok sebessége c = 3 × 10⁸ m / s, az a sebesség, amellyel a fény vákuumban halad (szoros közelítés céljából a levegőben lévő fénysebességre is használják). Az alacsonyabb frekvencia tehát hosszabb hullámhosszakkal jár és fordítva.

Az EM hullámokhoz nincs szükség közegre, például vízre vagy gázra, amelyeken keresztül terjedni lehet; ennélfogva az egész világegyetem leggyorsabb sebességével bejárhatják az üres tér vákuumát!

Az elektromágneses hullámok a frekvenciák és a hullámhosszak hatalmas tartományában keletkeznek. Alacsony frekvenciával (alacsonyabb energia) és így hosszabb hullámhosszal kezdve az EM sugárzás különféle típusai:

• ​Rádióhullámok(kb. 1 m és hosszabb): A rádiófrekvenciás EM-sugárzás körülbelül 20 000 és 300 milliárd Hz között terjed. Ezek "repülnek" nemcsak az egész világon de mélyen az űrbe, és Marconi általi kiaknázása a 20. század fordulóján forradalmasította az emberi világot kommunikáció.
• ​Mikrohullámok(kb. 1 mm-től 1 m-ig): Ezek az űrbe is behatolhatnak, de időjárási alkalmazásokban hasznosak, mert a felhőkbe is behatolhatnak.
• ​Infravörös hullámok(700 nm-től 1 mm-ig): Az infravörös sugárzás vagy "infravörös fény" az "éjjellátó" szemüveg és más vizuális javító berendezés.
• ​Látható fény(400 nm-től 700 nm-ig): A látható spektrumban lévő fényhullámok az elektromágneses hullám frekvenciájának és hullámhossz-tartományának apró töredékét ölelik fel. A szemed végül is meglehetősen konzervatív termék, amire a természetnek szüksége van, hogy összegyűjtse őket a mindennapi túléléshez.
• ​Ultraibolya fény(10–400 nm): Az ultraibolya sugárzás okozza a leégést és valószínűleg a bőr rosszindulatú daganatait is. Ennek ellenére a szoláriumok nem léteznének nélküle.
• ​Röntgen(kb. 0,01–10 nm): Ez a nagyobb energiájú sugárzás hihetetlen diagnosztikai segítség az orvostudományban, de ennek egyensúlyban kell lenniük azzal a lehetőségükkel, hogy fizikai sérülést okozhassanak maguknak a magasabb szinten kitettségek.
• ​Gamma sugarak(<0,01 nm): Amint az várható volt, ez nagyon nagy energiájú és ezért potenciálisan halálos sugárzás. Ha nem a Föld légköre blokkolná annak nagy részét, az élet a jelenlegi formájában több milliárd évvel ezelőtt nem lett volna képes elindulni. Különösen agresszív daganatok kezelésére szolgálnak.

Mivel az elektromágneses sugárzásnak mindkét hullámtulajdonsága van, és önmagában mérve hullámként fog viselkedni, de részecskeként is (ún.foton) önmagában mérve azt mondjuk, hogy részecske-hullám kettősséggel rendelkezik.

Az állandó áram állandó mágneses teret hoz létre, míg a változó áram változó mágneses teret vált ki. Ha a változás állandó és ciklikus, akkor a hullámok (és a hozzájuk tartozó mezők) állítólag oszcillálnak, vagy gyorsan "ingadoznak" egy síkban ide-oda.

Ugyanez az alapvető elv fordítva működik: Egy oszcilláló mágneses mező indukál egy oszcilláló elektromos teret.

Az elektromágneses hullámok az elektromos és a mágneses mezők ezen kölcsönhatásából származnak. Ha egy töltés előre-hátra mozog egy vezeték mentén, akkor változó elektromos teret hoz létre, ami viszont változó mágneses teret hoz létre, amely azután EM hullámként továbbterjed, képes kibocsátani fotonok. Ez két keresztirányú hullám (és mező) példája, amelyek egymást keresztezik, és így újabb keresztirányú hullámot alkotnak.

• Az atomok és molekulák képesek elnyelni és kibocsájtani az elektromágneses sugárzás meghatározott frekvenciáit, összhangban a hozzájuk kapcsolódó kvantált energiaszintekkel.

Az emberek gyakran összekeverik ezt a kétféle hullámot, egyszerűen azért, mert annyira ismerik a rádióhallgatást. De a rádióhullámok, amint most már tudjátok, az elektromágneses sugárzás egyik formája. Fénysebességgel haladnak, és információkat továbbítanak a rádióállomásról a rádiójára. Ez az információ azonban aztán átalakul egy hangszóró mozgásává, amely hanghullámokat generál, amelyekhosszirányúhullámok a levegőben (mint egy tóban, miután egy dobott szikla zavarta meg).

• A hanghullámok körülbelül 343 m / s sebességgel haladnak a levegőben, ami sokkal lassabb, mint a rádióhullámok, és közegre van szükségük, amelyen keresztül haladhatnak.

Az EM sugárzás Doppler-frekvenciaváltásának nevezett jelenség lehetővé teszi az asztrofizikusok számára, hogy megmondják, az űrben lévő tárgyak felénk mozognak-e vagy sem. távol tőlünk, mert egy EM hullámokat kibocsátó álló objektum a rögzített megfigyelőhöz képest más mintázatot mutat, mint ami mozog.

A spektroszkópia nevű technika lehetővé teszi a vegyészek számára, hogy meghatározzák a gázok összetételét. A Föld légköre megvédi a bioszférát a legkárosabb ultraibolya sugárzástól és más, magasabb energiájú sugárzásoktól, például a gammasugaraktól. Az ételek főzésére szolgáló mikrohullámú sütők lehetővé tették az egyetemisták számára, hogy kollégiumukban elkészítsék az ételeket. A mobiltelefon és a GPS jelek viszonylag friss, de már kritikus kiegészítői az EM energiára támaszkodó technológiák listájának.